The newly identified severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes COVID-19, a pandemic respiratory disease. Moreover, thromboembolic events throughout the body, including in the CNS, have been described. Given the neurological symptoms observed in a large majority of individuals with COVID-19, SARS-CoV-2 penetrance of the CNS is likely. By various means, we demonstrate the presence of SARS-CoV-2 RNA and protein in anatomically distinct regions of the nasopharynx and brain. Furthermore, we describe the morphological changes associated with infection such as thromboembolic ischemic infarction of the CNS and present evidence of SARS-CoV-2 neurotropism. SARS-CoV-2 can enter the nervous system by crossing the neural-mucosal interface in olfactory mucosa, exploiting the close vicinity of olfactory mucosal, endothelial and nervous tissue, including delicate olfactory and sensory nerve endings. Subsequently, SARS-CoV-2 appears to follow neuroanatomical structures, penetrating defined neuroanatomical areas including the primary respiratory and cardiovascular control center in the medulla oblongata.

Iron sequestration by host iron-binding proteins is an important mechanism of resistance to microbial infections. Inside oral epithelial cells, iron is stored within ferritin, and is therefore not usually accessible to pathogenic microbes. We observed that the ferritin concentration within oral epithelial cells was directly related to their susceptibility to damage by the human pathogenic fungus, Candida albicans. Thus, we hypothesized that host ferritin is used as an iron source by this organism. We found that C. albicans was able to grow on agar at physiological pH with ferritin as the sole source of iron, while the baker's yeast Saccharomyces cerevisiae could not. A screen of C. albicans mutants lacking components of each of the three known iron acquisition systems revealed that only the reductive pathway is involved in iron utilization from ferritin by this fungus. Additionally, C. albicans hyphae, but not yeast cells, bound ferritin, and this binding was crucial for iron acquisition from ferritin. Transcriptional profiling of wild-type and hyphal-defective C. albicans strains suggested that the C. albicans invasin-like protein Als3 is required for ferritin binding. Hyphae of an Δals3 null mutant had a strongly reduced ability to bind ferritin and these mutant cells grew poorly on agar plates with ferritin as the sole source of iron. Heterologous expression of Als3, but not Als1 or Als5, two closely related members of the Als protein family, allowed S. cerevisiae to bind ferritin. Immunocytochemical localization of ferritin in epithelial cells infected with C. albicans showed ferritin surrounding invading hyphae of the wild-type, but not the Δals3 mutant strain. This mutant was also unable to damage epithelial cells in vitro. Therefore, C. albicans can exploit iron from ferritin via morphology dependent binding through Als3, suggesting that this single protein has multiple virulence attributes.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative of the COVID-19 disease, which has spread pandemically around the globe within a few months. It is therefore necessary to collect fundamental information about the disease, its epidemiology and treatment, as well as about the virus itself. While the virus has been identified rapidly, detailed ultrastructural analysis of virus cell biology and architecture is still in its infancy. We therefore studied the virus morphology and morphometry of SARS-CoV-2 in comparison to SARS-CoV as it appears in Vero cell cultures by using conventional thin section electron microscopy and electron tomography. Both virus isolates, SARS-CoV Frankfurt 1 and SARS-CoV-2 Italy-INMI1, were virtually identical at the ultrastructural level and revealed a very similar particle size distribution with a median of about 100 nm without spikes. Maximal spike length of both viruses was 23 nm. The number of spikes per virus particle was about 30% higher in the SARS-CoV than in the SARS-CoV-2 isolate. This result complements a previous qualitative finding, which was related to a lower productivity of SARS-CoV-2 in cell culture in comparison to SARS-CoV.

Abstract Dippity Pig Syndrome (DPS) is a well-known but rare complex of clinical signs affecting minipigs, which has not been thoroughly investigated yet. Clinically affected animals show acute appearance of red, exudating lesions across the spine. The lesions are painful, evidenced by arching of the back (dipping), and the onset of clinical symptoms is generally sudden. In order to understand the pathogenesis, histological and virological investigations were performed in affected and unaffected Göttingen Minipigs (GöMPs). The following DNA viruses were screened for using PCR-based methods: Porcine cytomegalovirus (PCMV), which is a porcine roseolovirus (PCMV/PRV), porcine lymphotropic herpesviruses (PLHV-1, PLHV-2, PLHV-3), porcine circoviruses (PCV1, PCV2, PCV3, PCV4), porcine parvovirus 1 (PPV1), and Torque Teno sus virus (TTSuV1, TTSuV2). Screening was also performed for integrated porcine endogenous retroviruses (PERV-A, PERV-B, PERV-C) and recombinant PERV-A/C and their expression as well as for the RNA viruses hepatitis E virus (HEV) and SARS-CoV-2. Eight clinically affected and one unaffected GöMPs were analyzed. Additional unaffected minipigs had been analyzed in the past. The analyzed GöMPs contained PERV-A and PERV-B integrated in the genome, which are present in all pigs and PERV-C, which is present in most, but not all pigs. In one affected GöMPs recombinant PERV-A/C was detected in blood. In this animal a very high expression of PERV mRNA was observed. PCMV/PRV was found in three affected animals, PCV1 was found in three animals with DPS and in the healthy minipig, and PCV3 was detected in two animals with DPS and in the unaffected minipig. Most importantly, in one animal only PLHV-3 was detected. It was found in the affected and unaffected skin, and in other organs. Unfortunately, PLHV-3 could not be studied in all other affected minipigs. None of the other viruses were detected and using electron microscopy, no virus particles were found in the affected skin. This data identified some virus infections in GöMPs with DPS and assign a special role to PLHV-3. Since PCMV/PRV, PCV1, PCV3 and PLHV-3 were also found in unaffected animals, a multifactorial cause of DPS is suggested. However, elimination of the viruses from GöMPs may prevent DPS.

Giardia lamblia is a common parasitic protist that infects the small intestine and causes giardiasis, resulting in diarrhea, vomiting, weight loss, and malabsorption. Giardiasis leads to cellular damage, including loss of microvilli, disruption of tight junctions, impaired barrier function, enzyme inhibition, malabsorption, and apoptosis. In the host, motile Giardia trophozoites attach to the duodenal microvilli using a unique microtubule organelle called the ventral disc. Despite early observations of disc-shaped depressions in microvilli after parasite detachment, little is known about disc-mediated attachment mechanisms and there little direct evidence showing that parasite attachment causes cellular damage. However, advancements in in vitro organoid models of infection and genetic tools have opened new possibilities for studying molecular mechanisms of attachment and the impact of attachment on the host. Through high-resolution live imaging and a novel disc mutant, we provide direct evidence for disc contraction during attachment, resolving the long-standing controversy of its existence. Specifically, we identify three types of disc movements that characterize contraction, which in combination result in a decrease in disc diameter and volume. Additionally, we investigate the consequences of attachment and disc contractility using an attachment mutant that has abnormal disc architecture. In a human organoid model, we demonstrate that this mutant has a limited ability to break down the epithelial barrier as compared to wild type. Based on this direct evidence, we propose a model of attachment that incorporates disc contraction to generates the forces required for the observed "grasping" of trophozoites on the host epithelium. Overall, this work highlights the importance of disc contractility in establishing and maintaining parasite attachment, leading to intestinal barrier breakdown.

After ingestion of dormant cysts, the widespread protozoan parasite Giardia lamblia colonizes the host gastrointestinal tract via direct and reversible attachment using a novel microtubule organelle, the ventral disc. Extracellular attachment to the host allows the parasite to resist peristaltic flow, facilitates colonization and is proposed to cause damage to the microvilli of host enterocytes as well as disrupt host barrier integrity. The 9 um in diameter ventral disc is defined by a highly complex architecture of unique protein complexes scaffolded onto a spiral microtubule (MT) array of one hundred parallel, uniformly spaced MT polymers that bend approximately one and a quarter turns to form a domed structure. To investigate the role of disc-mediated attachment in causing epithelial cell damage, we used a new approach to rapidly create a stable quadruple knockout of Giardia of an essential ventral disc protein, MBP, using a new method of CRISPR-mediated gene disruption with multiple positive selectable markers. MBP quadruple KO mutant discs lack the characteristic domed architecture and possess a flattened crescent or horseshoe-shaped conformation that lacks the overlapping region, with severe defects in the microribbon-crossbridge (MR-CB) complex structure. MBP KO mutants are also unable to resist fluid flow required for attachment to inert surfaces. Importantly, MBP KO mutants have 100% penetrance off positive selection, which is essential for quantification of in vivo impacts of disc and attachment mutants with host cells. Using a new gastrointestinal organoid model of pathogenesis, we found that MBP KO infections had a significantly reduced ability to cause the barrier breakdown characteristic of wild-type infections. Overall, this work provides direct evidence of the role of MBP in creating the domed disc, as well as the first direct evidence that parasite attachment is necessary for host pathology, specifically epithelial barrier breakdown.

ABSTRACT Shock-and-kill is one of the most advanced, yet unrealized, concepts towards establishment of HIV-1 cure. Treatment with latency-reversing agents (LRAs), including histone deacetylase inhibitors (HDACis) exerting chromatin remodelling and gene expression reprogramming, combined with anti-retroviral therapy reactivates HIV-1 transcription in vitro , ex vivo and in vivo . However, HDACi treatment fails to significantly reduce the size of the viral reservoir in people living with HIV-1 (PLHIV). Here, by combining scRNA-seq and functional approaches, we characterised the HDACi treatment-imposed remodulation of CD4+ T-cells’ state and its consequences for HIV-1 latency reversal and the apparent resistance of HIV-1-reactivating cells to immune-mediated elimination. Exposure of CD4 + T-cells from three aviremic PLHIV with clinically applicable concentrations of Panobinostat markedly reduced the expression of genes mediating T-cell activation and IFN-driven antiviral immunity in a largely CD4 + T-cell subset-nonspecific manner, with exception of an PLHIV-specific exhausted CD4 + T-cell subpopulation. Altered transcriptomic profiles were accompanied by large refractoriness to peptide and IL-2/PHA stimulation, and to exogenous type I interferon, that would otherwise induce T-cell activation and expression of a plethora of antiviral genes, respectively. Type I interferon, when added to Panobinostat during HIV-1 reactivation, was unable to counteract HDACi-mediated inhibition of IFN signalling and failed to interfere with HIV-1 reactivation per se . However, it imposed a pre-budding block and boosted surface levels of HIV-1 Env on reactivating cells. Co-treatment with type I IFNs, most prominently IFN-β and -α14, sensitised HIV-1-reactivating cells for killing by NK cells through antibody-dependent cytotoxicity. Together, our study provides proof-of-concept of the benefit of combining a potent LRA with immunostimulatory molecules, such as type I IFNs, to reduce the resistance of HIV-1-reactivating T-cells to immune-mediated elimination to improve current shock-and-kill strategies.

Abstract The newly identified severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes COVID-19, a pandemic respiratory disease presenting with fever, cough, and often pneumonia. Moreover, thromboembolic events throughout the body including the central nervous system (CNS) have been described. Given first indication for viral RNA presence in the brain and cerebrospinal fluid and in light of neurological symptoms in a large majority of COVID-19 patients, SARS-CoV-2-penetrance of the CNS is likely. By precisely investigating and anatomically mapping oro- and pharyngeal regions and brains of 32 patients dying from COVID-19, we not only describe CNS infarction due to cerebral thromboembolism, but also demonstrate SARS-CoV-2 neurotropism. SARS-CoV-2 enters the nervous system via trespassing the neuro-mucosal interface in the olfactory mucosa by exploiting the close vicinity of olfactory mucosal and nervous tissue including delicate olfactory and sensitive nerve endings. Subsequently, SARS-CoV-2 follows defined neuroanatomical structures, penetrating defined neuroanatomical areas, including the primary respiratory and cardiovascular control center in the medulla oblongata.

Abstract Serial block-face (SBF) scanning electron microscopy (SEM) is used for imaging the entire internal ultrastructure of cells, tissue samples or small organisms. Here, we present a workflow for SBF SEM of adherent cells, such as Giardia parasites and HeLa cells, attached to the surface of a plastic culture dish, which preserves the interface between cells and plastic substrate. Cells were embedded in situ on their substrate using silicone microwells and were mounted for cross-sectioning which allowed SBF imaging of large volumes and many cells. A standard sample preparation and embedding protocol for thin section electron microscopy provided already sufficient resolution and image quality to visualize larger structures. To improve resolution and image quality of SBF imaging, we stepwise tested modifications of the protocol, such as the moderate increase of the heavy metal content of the sample. Modifications of the embedding by either the reduction of the resin layer (minimal embedding) or the addition of silver colloid to the resin were evaluated at high and low vacuum imaging conditions. The optimized sample preparation protocol is very similar to the standard preparation protocol for thin section electron microscopy, so that the samples can also be used for this application. The protocol applies a higher concentration of osmium tetroxide, a higher temperature for heavy metal incubation and an additional lead en bloc staining. In summary, the presented workflow provides a generic and adaptable solution for studying adherent cells by SBF SEM.

Abstract Egress of intracellular bacteria from host cells and cellular tissues is a critical process during the infection cycle. This egress process is essential for bacteria to spread inside the host and can influence the outcome of an infection. For the obligate intracellular Gram-negative zoonotic bacterium Chlamydia psittaci little is known about the mechanisms resulting in chlamydial egress from the infected epithelium. Here, we describe and characterize a novel non-lytic egress pathway of C. psittaci by formation of Chlamydia -containing spheres (CCS). CCS are spherical, low phase contrast structures surrounded by a phosphatidylserine exposing membrane with specific barrier functions. They contain infectious progeny and morphologically impaired cellular organelles. The formation of CCS shares characteristics of apoptotic cell death including a proteolytic cleavage of the peptide DEVD albeit independent of active caspase-3, an increase in the intracellular calcium concentration of infected cells, followed by blebbing of the plasma membrane and rupture of the inclusion membrane. Finally, infected blebbing cells detach and leave the monolayer thereby forming CCS. These results support that Chlamydia psittaci egresses the epithelial cell by a novel non-lytic egress pathway, a process beneficial for the bacterium, which might influence the outcome of the infection in organisms. Importance Host cell egress is essential for intracellular pathogens to spread within an organism and for host-to-host-transmission. Here, we describe CCS formation as a novel egress pathway for the intracellular, zoonotic bacterial pathogen C. psittaci . This non-lytic egress pathway is fundamentally different from previously described Chlamydia egress pathways. Interestingly, CCS formation shares several characteristics of apoptotic cell death. However, the sequence of proteolytic activity, followed by plasma membrane blebbing and the final detachment of a whole phosphatidylserine exposing former host cell is unique for C. psittaci . Thus, CCS formation represents a new egress pathway for intracellular pathogens that could possibly be linked to C. psittaci biology including host tropism, protection from host cell defense mechanisms or bacterial pathogenicity.